操作系统第5章 设备管理(2)

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缓冲池（Buffer Pool）
缓冲区工作方式
Getbuf(emq) Putbuf(inq,hin)
缓冲池
hin sin
Getbuf(inq) Putbuf(emp,sin)
收容输入
提取输出
Getbuf(outq) Putbuf(emq,sout)
提取输入 收容输出
Getbuf(emq) Putbuf(outq,hout)
sout
hout
用 户 进 程
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3. 缓冲区的工作方式

1.收容输入；2.提取输入；3.收容输出；4.提取输出
I/O
1
hin emq
inq
sin emq
2
用户进程
方式。在设备输入时，先将数据输入第一缓冲区，装满后 便转向第二缓冲区。操作系统可从第一缓冲区中移出数据 送用户进程区，接着由CPU对数据进行计算。
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单缓冲和双缓冲
双缓冲(Double Buffer)
用户进程 缓冲区1 (a) 工作区 缓冲区2 I/O 设备

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缓冲池（Buffer Pool）
互斥信号量MS(type) Procedure Getbuf(type) 资源信号量RS(type) begin Wait(RS(type)); Wait(MS(type)); B(number):=Takebuf(type); //从队首摘下一个缓冲区 Signal(MS(type)); end Procedure Putbuf(type, number) begin Wait(MS(type)); Addbuf(type, number); //将指定缓冲区挂在type指定队列上 Signal(MS(type)); Signal(RS(type)); end
设备处理 磁盘存储器管理
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设备分配
设备分配中的数据结构 设备分配时应考虑的因素 设备独立性 独占设备的分配程序 SPOOLing技术
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设备分配中的数据结构
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缓冲的引入
缓和CPU与 I/O设备间速度不匹配的矛盾 CPU必须在 中断CPU的频 100 s内响 数据到达速率与其离去速率不同 率为9.6Kb/s， 应，否则数据 每100s中断 减少对CPU 的中断频率，放宽对 CPU 会被冲掉 一次 CPU 中断响应时 间的限制

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缓冲管理
缓冲的引入 单缓冲和双缓冲 循环缓冲 缓冲池（Buffer Pool）
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缓冲池（Buffer Pool）
缓冲池的组成
专用缓冲的利用率不高，与环形缓冲不同的是缓冲池
效率有所提高，且进一步平滑了传输峰值。 系统处理一块数据的时间约为：MAX(C,T)
T1(缓冲 1) (b) M1 C1 T2(缓冲 2) M2 C2 T3(缓冲 3) M3 C3 T4(缓冲 4) M4 C4
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单缓冲和双缓冲
A机 B机 A机 B机
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循环缓冲
循环缓冲区的使用
Getbuf过程
为计算进程和输入进程提供缓冲区，并移动指针 Releasebuf过程 当计算进程或输入使用完缓冲区后，调用过程将缓 冲区释放

进程同步——输入、计算进程并行
Nexti指针追赶上Nextg指针
输入进程速度大于计算进程，全部空缓冲区已满， 无可用缓冲区，输入进程阻塞（系统受计算限制） Nextg指针追赶上Nexti指针 计算进程速度大于输入进程，全部缓冲区空，无可 用数据，计算进程阻塞（系统受I/O限制）
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缓冲池（Buffer Pool）
缓冲池的组成 四种工作缓冲区 用于收容输入数据的工作缓冲区（hin） 用于提取输入数据的工作缓冲区（sin） 用于收容输出数据的工作缓冲区（hout） 用于提取输出数据的工作缓冲区（sout）
中的缓冲区是系统的公用资源，可供多个进程共享， 既能用于输入，也能用于输出 缓冲区类型 空(闲)缓冲区 装满输入数据的缓冲区 装满输出数据的缓冲区 缓冲队列：按其使用情况 空缓冲队列emq 输入队列inq 输出队列outq
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图 5-15 缓冲区的工作方式
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缓冲
无缓冲时问题分析：设备直接向进程地址 空间传送数据(如用户从磁带中读数据块的 操作），则进程要么忙等待，要么阻塞。
如果用忙等待方式，则浪费大量CPU时间； 如果是阻塞方式，则进程阻塞在设备的I/O
I/O
4
sout
outq
hout
3
1. hin=getbuf(emq)；putbuf(inq,hin) 2. sin=getbuf(inq)；计算；putbuf(emq,sin) 3. hout=getbuf(emq)；putbuf(outq, hout) 4. sout=getbuf(outq)；输出；putbuf(emq,sout)
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循环缓冲
循环缓冲的引入
当输入与输出速度基本匹配时，双缓冲能获得较好效
果；当速度相差较大时，可引入多个（大小相等）缓 冲，组织成循环缓冲的形式
循环缓冲的组成
多个缓冲区
用于装输入数据的空缓冲区R 已装满数据的满缓冲区G 计算进程正在使用的现行工作缓冲区C 多个指针 指示计算进程下一可用缓冲区Nextg 指示输入进程下一可用空缓冲区Nexti 指示计算进程正在使用的缓冲区Current
通道状态：忙/闲 与通道连接的控制器表首址 通道队列的队首指针 通道队列的队尾指针
(a) 控制器表 COCT
(b) 通道表 CHCT
一个控制器一张
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一个通道一张
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设备分配中的数据结构
系统设备表SDT
表目 1 … 表目 i …

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循环缓冲
类型： R:空缓冲；G：满缓冲；C：当前缓冲
Nexti R 1 G G 6 5 4 G 2 3 R G Nextg G G 6 5 4 G Nextg R 1 2 3 R C current Nexti
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请求队列中。这时，不能将进程全部换出， 还可能出现单进程死锁。（进程在等待I/O操 作结果之前被换出，等待I/O事件，而I/O操 作也被阻塞，等待该进程被换入。）
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第五章 设备管理
I/O系统
I/O控制方式
缓冲管理
设备分配
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缓冲池（Buffer Pool）
两个对缓冲区操作的过程
Getbuf(type)，type--队列类型
Putbuf(type,number)，number--指某缓冲区 队列是临界资源需设置
互斥信号量MS，每个队列一个MS(type) 资源信号量RS ，每个队列一个RS(type) 队列操作过程 Takebuf(type) ：取type所指队列队首缓冲区 Addbuf(type,number)：将number所指缓冲 区加到type所指队列尾
工作区 传送(M) 缓冲区 输入(T) I/O设备
(a )
T1 (b ) M1
T2 M2 C1
T3 M3 C2
T4
C3 t
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2. 双缓冲(Double Buffer) 为了加快输入、输出速度和提高设备利用率，又引入
了双缓冲工作方式，也称为缓冲对换（Buffer Swapping ）
接收 发送 为了实现双向数据传输，必须 缓冲区 缓冲区
在两台机器中都设置两个缓冲
缓冲区 缓冲区
区，一个用作发送缓冲区，另 接收 发送
缓冲区 缓冲区 一个用作接收缓冲区。 (b) 双缓冲
(a) 单缓冲
只能实现单向 的数据传输
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缓冲管理
缓冲的引入 单缓冲和双缓冲 循环缓冲 缓冲池（Buffer Pool）
(a )
9.6 Kb/s
1位缓冲 8位缓冲寄存器
(b )
9.6 Kb/s
中断CPU 的频率降 低为 9.6Kb/8
送内存
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缓冲的引入
8位缓冲寄存器 (c) 9.6 Kb/s
每 800s 中断一 次CPU
送内存
提高CPU和I/O设备之间的并行性
提高系统的吞吐量和设备的利用率
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缓冲管理
缓冲的引入 单缓冲和双缓冲 循环缓冲 缓冲池（Buffer Pool）
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单缓冲和双缓冲
C>T时,每块数据 单缓冲(Single Buffer) 的处理时间是 用户进程 M+T；反之，为 由于C和T可并行， M和C或M和T不能并行 M+C，即 因此处理一块数据时间： Max(C,T)+M 处理(C)
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第五章 设备管理
I/O系统
I/O控制方式
缓冲管理
设备分配 设备处理 磁盘存储器管理
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缓冲管理
缓冲的引入 单缓冲和双缓冲 循环缓冲 缓冲池（Buffer Pool）
缓冲池（Buffer Pool）
缓冲池的组成 四种工作缓冲区 用于收容输入数据的工作缓冲区（hin） 用于提取输入数据的工作缓冲区（sin） 用于收容输出数据的工作缓冲区（hout） 用于提取输出数据的工作缓冲区（sout）
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源自文库
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5.4 设 备 分 配
5.4.1 设备分配中的数据结构
1. 设备控制表DCT 2. 控制器控制表COCT 3. 通道控制表CHCT
4. 系统设备表SDT
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设备分配中的数据结构
在多道程序环境下，系统中的设备所有进程共享， 为防止进程对系统资源的无序竞争，必须由系统 统一分配设备 某进程向系统提出I/O请求时，设备分配程序按 一定策略分配设备、控制器和通道，形成一条数 据传输通路，以供主机和设备间信息交换 为实现设备分配，系统中应设置相应的数据结构， 对每台设备、通道、控制器的情况进行登记
DCT 2
DCT n
每个设备一张，记录本设备的情况
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设备分配中的数据结构
控制器控制表、 通道控制表
控制器标识符： controllerid
控制器状态：忙/闲 与控制器连接的通道表指针 控制器队列的队首指针 控制器队列的队尾指针
通道标识符： channelid
设备控制表DCT
DCT 1
正使用，则忙标志 置1；若与其相连的 控制器或通道忙， 则等待标志置1
设备类型 type
deviceid 设备标识符： 请求本设备未满 足的进程PCB 队 设备状态：等待 /不等待 忙/闲 列 指向控制器表COCT的指针 重复执行次数或时间 设备队列的队首指针
设 备 控 制 表 集 合